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Twin Linear Aerospike XRS-2200 Engine.jpg-Programms auf dem Teststand]]
Aerospike (engl. Luftstachel) ist ein neuartiges Raketentriebwerk, welches sich den atmosphärischen Gegebenheiten in unterschiedlichen Flughöhen anpasst. Ein Raumfahrzeug mit Aerospike verbraucht in niedriger Höhe 25%-30% weniger Treibstoff als traditionelle, glockenförmige Raketentriebwerke. Aerospike Triebwerke werden bereits seit einiger Zeit erforscht und dienen als Grundlage für viele Konzepte wiederverwendbarer Raumfahrzeuge. Zur Zeit gibt es jedoch kein einsatzfähiges Triebwerk.
Prinzip
Ein traditionelles Triebwerk verwendet eine große Glocke um die Verbrennungsgase zu bündeln und um somit die Beschleunigung zu maximieren. Das richtige Design der Glocke hängt jedoch von den äußeren Bedingungen ab. In großer Höhe wird wegen des geringen Luftdrucks eine viel größere Glocke benötigt als in niedriger Höhe.
Der Aerospike versucht dieses Problem zu umgehen. Anstatt die Verbrennungsgase durch ein kleines Loch am Glockenansatz zu schiessen, verwendet der Aerospike mehrere kleinere, flach ausgerichtete Brennkammern an der Außenseite. Diese erzeugen Schockwellen, die mit Hilfe eines zylinder- oder v-förmigen Vorbaus (dem Stachel) in Schub umgewandelt werden. Dabei wird aus dem Stachel auf der einen Seite und der vorbei strömenden Luft auf der anderen Seite eine virtuelle Glocke gebildet - der Luftstachel (Aero-spike).
In der Theorie würde jedoch ein unendlich langer Stachel benötigt um ideale Werte zu erzielen. In der Praxis besteht das Triebwerk nur aus einem Stachelansatz, der nach unten offen ist. Ein Luftstrom, der durch den Stachel fließt, dient als Ersatzstachel, so dass der untere Teil der virtuellen Glocke auf beiden Seiten aus einem Luftstrom besteht.
In zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck ab. Das erlaubt es den Verbrennungsgassen sich mit zunehmender Höhe immer weiter auszubreiten. Die virtuelle Glocke dehnt sich aus und passt sich somit den veränderten Bedingungen an. In der Theorie erreicht ein Aerospike-Triebwerk eine 90 prozentige Effizienz unabhängig vom Luftdruck. Es schlägt somit jedes traditionelle Raketentriebwerk, das speziell für eine Höhe entwickelt werden muss. Aus diesem Grund ist ein Aerospike-Triebwerk auch bestens geeignet, in einem einstufigen wiederverwendbaren Raumtransporter eingesetzt zu werden, da er in jeder Höhe optimale Leistung erreicht.
Kühlsysteme und Treibstoffpumpen sind ins Innere des Stachels integriert.
Vor- und Nachteile
Aerospike verbraucht in der Theorie bis zu 35% (niedrige Höhe) weniger Treibstoff.
Die Richtungssteuerung kommt ohne komplizierte, kardanische Aufhängung der Triebwerke, oder Leitbleche im heißen Abgasstrahl, aus, da der Schub der aussenliegenden Brennkammerzellen einfach entsprechend unterschiedlich ausgesteuert wird. Durch die Verteilung der Verbrennung auf mehrere, kleine Brennkammern wird das Risiko einer Explosion massiv verringert.
Ein Aerospike-Triebwerk ist leichter als ein traditionelles und nur etwa halb so hoch.
Die größte Herausforderung bei der Entwicklung eines Aerospike-Triebwerkes ist die Kühlung des Zentralkonus. Eine Verkürzung des Stachels reduziert die Auswirkung, da die Fläche, mit der die Verbrennungsgasse in Berührung kommen, verkleinert wird. Eine Verkürzung des Stachels ist jedoch immer auch mit einer Verringerung der Leistung verbunden. Ein zweiter Luftstrom im Stachel könnte ebenfalls helfen.
Bei einem V-förmigen Aerospike-Triebwerk kommt es durch Wirbelbildung an den Seiten zu einem Leistungsverlust.
Tests und Projekte
Eine sehr frühe Version des Aerospikes wurden bereits bei den Triebwerken der Messerschmitt Me 262 eingesetzt. Zwischen 1950 und 1970 wurden von der Firma Rocketdyne, der NASA und der US Airforce mit verschiedenen Größen und Varianten insgesamt 73 Tests durchgeführt. Für das X-33 VentureStar Projekt der NASA wurde 1997 auf Basis der früheren Forschungen vier XRS-2200 Aerospike-Triebwerke entwickelt und gebaut. Das Projekt wurde jedoch aufgrund überhöhter Kosten eingestellt.
Der erste bekannte Testflug eines Aerospike-Triebwerks wurde im Rahmen des Linear Aerospike SR-71 Experiments (LASRE) an Bord einer SR-71 durchgeführt.
In Westdeutschland wurden Ende der sechziger Jahre an einem Aerospike-Triebwerk für das Raumfahrzeug "Neptun" gearbeitet. Japan arbeitet für ein wiederverwendbares Raumfahrzeug mit dem Namen "Hope-X" an einem Aerospike-Triebwerk. Auch dieses Projekt wurde aufgrund von Finanzierungsschwierigkeiten aufgegeben.
Zusätzliche Fotos
"Aerospike"